一种遥感视频卫星的成像任务规划方法与流程

1.本发明属于遥感视频卫星使用领域，具体涉及一种遥感视频卫星的成像任务规划方法。


背景技术：

2.随着卫星应用领域的飞速发展及其多样化，遥感视频卫星的发展也日益迅速。遥感视频卫星，即用于遥感领域研究的视频成像模式的卫星。通常，遥感视频卫星均为中低轨微小卫星，轨道低体量小幅宽也较小。以本技术中的卫星为例，其轨道高度一般不超过600km，卫星体量不超过40kg，俯仰机动能力为-60
°
～60
°
，侧摆机动能力为-30
°
～30
°
，最大幅宽为15km。
3.普通ccd相机遥感卫星成像无论是对点目标还是对于区域目标，通常只能单帧成像，不能如cmos相机一般连续成像，即不支持滑动成像和凝视成像。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种遥感视频卫星的成像任务规划方法，以cmos面阵相机的遥感视频卫星为研究对象，对其滑动成像、凝视成像的任务规划方法进行分析。
5.本发明采用的技术方案为一种遥感视频卫星的成像任务规划方法，包括：
6.步骤1，获取观测目标的经纬度、观测时间、偏好的成像模式，所述成像模式包括凝视成像和滑动成像；
7.步骤2，执行轨道计算，使用外推算法计算未来一周内卫星的星历、星下点、以及每轨的覆盖条带；
8.步骤3，根据观测目标偏好的成像模式进行成像规划，计算可成像窗口；
9.步骤4，对可成像窗口进行优先级排序；
10.步骤5，成像任务约束检查，依据任务需求执行任务编排，生成卫星的成像方案；
11.步骤6，对数传方案进行规划；
12.步骤7，对优选的可成像窗口、以及与其对应的数传窗口进行再次确认，满足卫星使用约束、地面站使用约束的情况下，确认为最佳规划结果；
13.步骤8，将规划成功的卫星成像方案在卫星指令上注前发给卫星控制系统，同时将对应的数传方案发送给地面接收站。
14.进一步地，所述步骤2包括：
15.步骤2-1，获取轨道计算所必需的参数；
16.步骤2-2，星历计算，基于卫星轨道数据外推计算卫星在未来一周内的星历数据，得到各个时刻卫星的空间位置；
17.步骤2-3，星下点计算，基于卫星星历的计算结果，再根据地球模型及投影，计算得到各个时刻卫星的星下点轨迹；
18.步骤2-4，根据卫星视场角或卫星的幅宽、最大侧摆角度、最大俯仰角度计算得到
各个时刻卫星的覆盖条带。
19.进一步地，所述步骤3包括：对点目标的凝视成像进行成像规划，包括：确定包含点目标的覆盖条带，根据所述覆盖条带计算卫星的可成像窗口。
20.进一步地，所述步骤3包括：对区域目标的凝视成像进行成像规划，包括：将区域目标沿卫星轨道方向根据卫星覆盖条带拆分成若干个子区域，获取子区域的凝视中心点，计算每个凝视中心点的可成像窗口，将每个子区域的可成像窗口汇总，得到区域目标的可成像窗口集合。
21.进一步地，所述步骤3包括：对区域目标的滑动成像进行成像规划，包括：将区域目标沿卫星轨道方向根据卫星覆盖条带拆分成若干个子区域，获取子区域的中心线，作为滑动成像的准线，计算每个子区域滑动成像的可成像窗口，将每个子区域的可成像窗口汇总，得到区域目标的可成像窗口集合。
22.进一步地，所述将区域目标沿卫星轨道方向根据卫星覆盖条带拆分成若干个子区域的方法为：将区域目标经纬度与单轨覆盖条带的经纬度进行匹配，若区域目标的某个顶点在覆盖条带的经纬度范围内，则以区域目标位于轨道覆盖条带内的顶点、区域目标的边界与覆盖条带的边界交点为顶点构建多边形，作为区域目标的子区域。
23.进一步地，所述获取子区域的凝视中心点的方法为：所述凝视中心点的经度为子区域各顶点经度的均值，所述凝视中心点的纬度为子区域各顶点纬度的均值。
24.进一步地，所述获取子区域的中心线方法为：将不规则子区域规则化为一个平行四边形，所述平行四边形的一组对边平行于幅宽线，所述平行四边形的另一组对边平行于轨道方向，所述平行四边形为完全包含所述子区域的最小包络，再沿轨道方向取所述平行四边形的中线作为子区域的中心线。
25.进一步地，所述步骤4中，以成像质量优先，卫星侧摆角度越小、俯仰角度越小的成像窗口优先级越高。
26.进一步地，所述步骤5包括：
27.依据各卫星的对地观测能力以及载荷特点，执行任务编排，生成卫星对观测目标的观测预案；
28.考虑卫星的能量约束、固存约束、载荷约束以及指令模板约束等各项约束限制，对观测预案进行分析检测，剔除不满足约束条件的预案；
29.依据优选策略对观测预案进行优选，筛选出满足优选策略的预案集合，生成卫星成像规划方案；
30.进一步地，所述优选策略为区域重复覆盖率最低或区域整体覆盖率最大。
31.进一步地，所述步骤6包括：
32.获取数传接收弧段规划所必需的参数；
33.计算卫星在一周内的过站时间；
34.根据优选出的成像方案，选定成像当日最优的数传弧段，形成数传方案，并对数传弧段进行遮挡分析；
35.对当天的所有数传方案进行合并，初步确定与成像方案一一对应的数传方案；
36.根据地面站天线、卫星天线的使用策略，对数传方案进行检查，筛选出符合条件的最优数传方案。
37.本发明的有益效果在于：
38.(1)本发明制定出了遥感视频卫星的滑动成像任务规划方法、凝视成像任务规划方法，以适应遥感视频卫星的迅猛发展；
39.(2)滑动成像针对区域目标，凝视成像针对点目标和区域目标；
40.(3)对于区域目标的滑动成像，无需对其进行单面阵下的切分，只需以条带为单位，计算卫星每轨进入该区域时的时间、对应的侧摆和俯仰角即可；
41.(4)对于凝视成像，关注的是点目标的中心经纬度或区域目标沿卫星轨道方向的条带区域的中心经纬度；
42.(5)本发明对遥感视频卫星的两种成像模式下的任务规划方案进行初步对比，以便后续遥感视频卫星扩展；
43.(6)本发明基于cmos面阵相机的遥感视频卫星的规划，对其他类别的遥感影像或同样具有参考作用。
附图说明
44.图1为本发明一种遥感视频卫星的成像任务规划方法的流程示意图；
45.图2为点目标在某一轨覆盖条带内的示意图；
46.图3为区域目标的拆分示意图；
47.图4为子区域滑动成像的中心线获取示意图。
具体实施方式
48.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
49.参看图1，本发明提供一种遥感视频卫星的成像任务规划方法，包括：
50.步骤1，获取观测目标的经纬度、观测时间、偏好的成像模式，其中，观测时间最长为一周，成像模式包括凝视成像和滑动成像；
51.步骤2，执行轨道计算，使用外推算法根据卫星初轨信息或最近一次遥测数据中的定位信息，对卫星未来一周的轨道进行计算和预报，得到星历、星下点、每轨的覆盖条带，具体包括：
52.(1)获取轨道计算所必需的参数，即轨道六根数；
53.轨道计算通常支持两行数据格式、瞬根数据格式，通常认为瞬根数据的精度更准确；
54.(2)星历计算，基于已知的卫星轨道数据(瞬根、两行)外推计算卫星在未来一周内的星历数据，得到各个时刻卫星的空间位置；
55.(3)星下点计算，基于卫星星历的计算结果，再根据地球模型(wgs-84)及投影(兰伯特投影)，计算得到各个时刻卫星的星下点轨迹；
56.(4)在前两项计算的基础上，根据卫星视场角fov或卫星的幅宽、最大侧摆角度、最大俯仰角度计算得到各个时刻卫星的覆盖条带。
57.步骤3，根据观测目标偏好的成像模式进行成像规划，计算可成像窗口；
58.判断观测目标是否属于点目标，若是，直接采用凝视成像观测模式；若不是，再判
断区域目标的偏好观测模式，是滑动成像还是凝视成像。
59.a.点目标的凝视成像
60.对于点目标的凝视成像，在观测需求中可直接得知目标的经纬度、高程信息，再根据卫星轨道计算得到的各个时刻卫星的星下点、每轨的覆盖条带，判断该点目标是否属于某个覆盖条带内，若是，则根据该覆盖条带计算卫星的可成像窗口，如图2所示，为点目标在某一轨覆盖条带内的示意图。
61.b.区域目标的凝视成像
62.对于区域目标进行凝视成像观测时，重点在于获取每轨区域的凝视中心，即区域目标单点化处理。
63.(1)区域拆分，将区域目标沿着卫星轨道方向根据卫星覆盖条带进行拆分，拆分过程如下所示：
64.将观测区域经纬度与轨道覆盖条带的经纬度进行匹配，若区域目标的某个顶点在覆盖条带的经纬度范围内，则认为本轨可以观测部分区域，该部分区域以区域目标位于轨道覆盖条带内的顶点、区域目标的边界与覆盖条带的边界交点为顶点，构成一个任意多边形，作为区域目标的子区域。
65.如图3所示，以区域目标abcd为例，沿卫星飞行轨道方向根据卫星覆盖条带对其进行拆分，依次判断a、b、c、d四点与本轨覆盖条带的覆盖关系，图示中可以看到b、c两点均在第一轨的覆盖条带内，沿轨道方向，第一轨可覆盖观测区域abcd的部分区域bchg，区域bchg则为一个子区域；a、d两点均在第二轨的覆盖条带内，沿轨道方向，第二轨可覆盖观测区域abcd的部分区域adfe，区域adfe则为另一个子区域。
66.(2)获取子区域的凝视中心点，作为成像焦点，对于一个任意多边形的子区域，其凝视中心点的经度为子区域各顶点经度的均值，凝视中心点的纬度为子区域各顶点纬度的均值。
67.对于子区域bchg，获取区域bchg的中心经纬度点o1(lat，lon)，o1即为子区域bchg的凝视中心点，o1的经纬度计算方法为：
68.o
1-lat
＝mean(b
lat
c
lat
h
lat
g
lat
)
69.o
1-lon
＝mean(b
lon
c
lon
h
lon
g
lon
)
70.其中，o
1-lat
、b
lat
、c
lat
、h
lat
、g
lat
分别代表o1、b、c、h、g的纬度，o
1-lon
、b
lon
、c
lon
、h
lon
、g
lon
分别代表o1、b、c、h、g的经度。
71.(3)重复步骤(1)和(2)，获取每轨可成像区域内的所有观测目标子区域的凝视中心点o1、o2......on，直到区域分完或周期结束。
72.(4)计算每个子区域凝视中心点的可成像窗口。以本技术研究的卫星为例，每天平均14.6轨，幅宽15km，24天可覆盖全球，在本技术中，我们假定成像期限为7天，一周内卫星未必过每个子区域的凝视中心点。可成像窗口的使用规则为先到先得，如果出现成像窗口冲突，同一个成像窗口先后可对两个不同的观测区域目标进行成像时，优先安排给先申请的区域目标。
73.以区域目标abcd为例，观测的区域目标abcd顶点为(36lat,76lon)、(36lat，88lon)、(45lat，90lon)、(45lat，76lon)，沿轨道方向拆分的其中一个子区域bchg的中心经纬度点o1为(40.9lat，80.3lon)，卫星的俯仰角度为(-60
°
～60
°
)，侧摆角度为(-30
°
～
30
°
)，偏航角度为(-90
°
～90
°
)，卫星在2022年6月1日共有3轨对该凝视中心点可见，其成像窗口如表1所示：
74.表1凝视成像窗口
75.序号可成像开始时间可成像结束时间初成像时俯仰角侧摆角观测时长(s)12022/6/1 05:23:342022/6/1 05:36:40-50
°‑8°
39222022/6/1 16:20:202022/6/1 16:33:11-55.6
°9°
38532022/6/1 17:57:342022/6/1 18:09:14-57.6
°
27.9
°
352
76.(5)将观测区域内每个子区域的可成像窗口汇总，得到观测区域的可成像窗口集合。
77.c.区域目标的滑动成像
78.对于区域目标进行滑动成像观测时，成像的重点并不在于每个成像子区域的中心，而是在于子区域的成像起始时刻的确定。
79.(1)区域拆分，这一步与区域目标凝视成像的区域拆分过程相同，在此不再赘述。
80.(2)获取子区域的中心线，作为滑动成像的准线。获取子区域的中心线方法为：将不规则子区域规则化为一个平行四边形，所述平行四边形的一组对边平行于幅宽线，所述平行四边形的另一组对边平行于轨道方向，所述平行四边形为完全包含所述子区域的最小包络，再沿轨道方向取所述平行四边形的中线作为子区域的中心线。
81.如图4所示，以子区域bchg为例，获取子区域的顶点b、c、h、g，其中g是沿轨道方向最高纬度点，c是沿轨方向最低纬度点，b是最大经度点，h为最小经度点，过顶点g、b、c、h作与单帧覆盖区域相似的平行四边形，该平行四边形为完全包含子区域bchg的最小包络，再沿轨道方向取该平行四边形的中线作为子区域bchg的中心线，将该中心线作为滑动成像的准线，该准线上的最高点和最低点可作为卫星单轨单次滑动观测的最小范围。
82.(3)重复(1)和(2)，获取每轨可成像区域内的所有子区域的中心线，直到区域分完或周期结束。
83.(4)计算每个子区域滑动成像的可成像窗口。
84.在本发明的实施例中，对于子区域bchg的滑动成像，卫星在2022年6月1日只有1轨覆盖该子区域，其成像窗口如表2所示：
85.表2滑动成像窗口
86.序号滑动成像窗口起始时间滑动成像窗口结束时间侧摆角观测时长(s)12022/6/1 05:22:012022/6/1 05:37:590478.72
87.(5)将观测区域内每个子区域的可成像窗口汇总，得到观测区域的可成像窗口集合。
88.步骤4，对可成像窗口进行优先级排序；
89.本发明以成像质量优先，卫星侧摆角度越小、俯仰角度越小的成像窗口观测质量越好，优先级越高。因此，每个子区域的最佳成像时间应是俯仰角越小、侧摆角越小的观测窗口。当俯仰角最小的观测窗口与侧摆角最小的观测窗口不同时，需要基于卫星相机的设计，评估俯仰角度下与侧摆角度下的失真影响，再择优选取失真最小的窗口。对于cmos面阵相机，侧摆角度的失真远远大于相同俯仰角度下的失真，因此，优选侧摆角度小的成像窗口，以确保成像失真最小。
90.需要说明的是，通常出于卫星安全考虑，侧摆成像和俯仰成像并不同时进行，凝视成像通常以卫星在可成像窗口内俯仰角度可调、侧摆为0
°
为最佳，滑动成像通常以卫星在可成像窗口内侧摆角度可调、俯仰为0
°
为最佳，紧急情况下才会考虑凝视成像和滑动成像时俯仰、侧摆皆可调。
91.步骤5，成像任务约束检查，依据任务需求执行任务编排，生成卫星的成像方案，具体包括：
92.a.依据各卫星的对地观测能力以及载荷特点，执行任务编排，生成卫星对观测目标的观测预案；
93.b.考虑卫星的能量约束、固存约束、载荷约束以及指令模板约束等各项约束限制，对观测预案进行分析检测，剔除不满足约束条件的预案，保证卫星与地面系统的安全；
94.c.依据优选策略对观测预案进行优选，筛选出满足优选策略的预案集合，生成卫星成像规划方案，以此提升星地资源的使用效益；
95.所述优选策略可以是区域重复覆盖率最低或区域整体覆盖率最大等。
96.此外，成像任务约束检查支持新任务的插入式规划，当新任务与已有任务发生冲突时，能够自动完成冲突消解，并按照优先级策略对已有任务进行调整，保证星地资源使用率的最大化。
97.在本发明的一个实施例中，对表1的凝视成像窗口以及表2的滑动成像窗口执行约束检查的结果如表3及表4所示：
98.表3对表1的凝视成像窗口执行约束检查的结果
99.序号卫星约束检查优选结果1√最优2√备选3夜间环境影响相机成像
×
100.表4对表2的滑动成像窗口执行约束检查的结果
101.序号卫星约束检查优选结果1√最优
102.步骤6，对数传方案进行规划，具体包括：
103.a.获取数传接收弧段规划所必需的参数，包括卫星信息(卫星星历、星下点、卫星天线类型、码速率)，接收站信息(包括经纬度、高程信息)，天线信息(天线类型、口径、码速率、工作角度等)；
104.b.根据以上信息，计算卫星在一周内的过站时间；
105.c.根据优选出的成像方案，选定成像当日最优的数传弧段，形成数传方案，并对数传弧段进行遮挡分析；
106.d.对当天的所有数传方案进行合并，初步确定与成像方案一一对应的数传方案；
107.e.根据地面站天线、卫星天线的使用策略，对数传方案进行检查，筛选出符合条件的最优数传方案。
108.因星上内存有限，数传策略是当天数据当天下传，以确保星上有充分的空间进行更多次的成像拍摄。拟定可成像窗口后，对同天的可用数传窗口进行遮挡分析检查，优先选择无遮挡、过站时间长的数传弧段，弧段越长越能确保数据完全下传结束。
109.在本发明的实施例中，对子区域bchg在2022年6月1日的数传方案规划如表5所示：
110.表5数传方案
[0111][0112]
步骤7，对优选的可成像窗口、以及与其对应的数传窗口进行再次确认，满足卫星使用约束、地面站使用约束的情况下，确认为最佳规划结果。
[0113]
步骤8，将规划成功的卫星成像方案在卫星指令上注前发给卫星控制系统，同时将对应的数传接收方案发送给地面接收站。
[0114]
本发明以cmos面阵相机的遥感视频卫星为研究对象，对其滑动成像、凝视成像的任务规划方法进行分析。滑动成像主要针对区域目标，而对于点目标，因为单帧成像，卫星使用效率并不高，因此通常不对点目标作滑动成像。对于区域目标的滑动成像，无需对其进行单面阵下的切分，只需以条带为单位，计算卫星每轨进入该区域时的时间、对应的侧摆和俯仰角即可。对于凝视成像，可针对点和区域目标，关注的是点目标的中心经纬度或区域目标沿卫星轨道方向的条带区域的中心经纬度，主要是计算卫星对于不同中心经纬度点的可见时间、俯仰角度、侧摆角度。